Wichtige Daten
- Die Schwerkraft liefert die Zentripetalbeschleunigung, die die Orbitalbewegung krümmt.
- In Newtons Gedankenexperiment mit der Kanone fällt ein Geschoss mit genügend Geschwindigkeit um die Erde herum, ohne die Oberfläche zu berühren.
- Ein Raumschiff erhält von einer Rakete einen Anfangsimpuls und kann seine Triebwerke für gelegentliche Kurskorrekturen nutzen.
- Die Periapsis ist der nächstgelegene Punkt zum Zentralkörper, die Apoapsis der am weitesten entfernte.
- Eine Energieerhöhung an der Apoapsis hebt die Periapsis an; eine Erhöhung an der Periapsis hebt die Apoapsis an.
- Aerobraking nutzt die Reibung der Atmosphäre, um Orbitalenergie abzubauen und Treibstoff zu sparen.
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Ein Raumschiff in einer Umlaufbahn ist der Schwerkraft des Planeten nicht entkommen. Die Schwerkraft wirkt weiterhin auf das Raumschiff und liefert die für die Krümmung seiner Bahn erforderliche Zentripetalbeschleunigung. Während es fällt, trägt seine Geschwindigkeit es zugleich um den Zentralkörper herum.
Die NASA erläutert dieses Prinzip anhand von Newtons Gedankenexperiment mit der Kanone. Die Illustration stellt sich eine Kanone auf dem Gipfel eines außergewöhnlich hohen Berges vor und vereinfacht die Physik: Unter anderem werden der Luftwiderstand und die Einschränkungen einer realen Kanone außer Acht gelassen. Die dargestellte Orbitalmechanik ist ohne diese Details gültig.
Vom Geschoss zur Umlaufbahn
Bei einem kleinen Anfangsimpuls beschreibt die Kanonenkugel einen Bogen und fällt in einiger Entfernung zu Boden. Bei höherer Geschwindigkeit kommt sie weiter. Mit genügend Geschwindigkeit fällt sie weiter um den Planeten herum, ohne die Oberfläche zu berühren: Sie hat eine Umlaufbahn erreicht. In Newtons Beispiel ist die Bahn eine Ellipse.
Ein Raumschiff folgt demselben allgemeinen Prinzip: Eine Rakete gibt ihm den Anfangsimpuls, danach fällt es weiter um den Himmelskörper herum. Mit den Triebwerken lassen sich gelegentlich Kurskorrekturen vornehmen; sie müssen nicht ständig eingeschaltet sein, damit das Raumschiff in der Umlaufbahn bleibt.
Schwerkraft und freier Fall
Um sich auf einer gekrümmten Bahn zu bewegen, benötigt ein Objekt eine Beschleunigung zum Zentrum dieser Krümmung hin. In einer Umlaufbahn liefert die gegenseitige Gravitationsanziehung zwischen dem Zentralkörper und dem Objekt diese Zentripetalbeschleunigung.
Das Gefühl der Schwerelosigkeit an Bord bedeutet daher nicht, dass die Schwerkraft verschwunden ist. Das Raumschiff und seine Insassen fallen gemeinsam im freien Fall, während die Schwerkraft die Orbitalbewegung weiterhin krümmt.
Periapsis, Apoapsis und Bahnkorrekturen
Auf einer elliptischen Umlaufbahn ändert sich die Entfernung zum Zentralkörper. Die Periapsis ist der nächstgelegene Punkt, die Apoapsis der am weitesten entfernte. Dies sind allgemeine Begriffe; je nach umkreistem Körper werden spezifische Bezeichnungen verwendet, etwa Perigäum und Apogäum für die Erde sowie Perihel und Aphel für die Sonne.
Die Energie, die ein Raumschiff an verschiedenen Punkten hinzufügt oder abführt, verändert die Form seiner Bahn. Der Erklärung der NASA zufolge hebt eine Energieerhöhung an der Apoapsis die Periapsis an; eine Erhöhung an der Periapsis hebt die Apoapsis an. Wird die Energie an einem dieser Punkte verringert, sinkt die Höhe des gegenüberliegenden Punktes. Solche Manöver können durch Zündungen der Bordtriebwerke ausgeführt werden.
Orbitalenergie lässt sich auch abbauen, indem man gezielt und kontrolliert in die Atmosphäre eintritt und die Reibung nutzt. Diese Technik heißt Aerobraking; laut NASA wurde sie auf der Venus und dem Mars eingesetzt und spart Treibstoff.
Keplers Gesetze und die Orbitalbewegung
Keplers Gesetze beschreiben Merkmale der Orbitalbewegung. Das erste Gesetz besagt, dass die Umlaufbahn jedes Planeten eine Ellipse mit der Sonne in einem ihrer Brennpunkte ist, sofern sie nicht durch andere Objekte gestört wird. Das zweite Gesetz setzt die Bewegung zur Geschwindigkeit in Beziehung: Ein Objekt auf einer stark elliptischen Umlaufbahn bewegt sich schneller, wenn es sich nahe an der Sonne befindet, als wenn es weit entfernt ist. Das dritte Gesetz setzt die Umlaufzeit mit der großen Halbachse der Umlaufbahn und den Massen der Objekte in Beziehung, die umeinander kreisen.
Die Grundidee von Newtons Gedankenexperiment ist auch heute hilfreich, um die Raumfahrt zu verstehen: Ein Objekt befindet sich in einer Umlaufbahn, weil es beim Vorwärtsbewegen ständig fällt, und Energieänderungen können seine Bahn verändern.
Quellen: NASA, „Gravitation und Mechanik: Wie Umlaufbahnen funktionieren“; NASA, „Gravitation und Mechanik: Beschleunigung in der Umlaufbahn und Keplers Gesetze“; NASA, „Gravitation und Mechanik: Gravitation“.